基于单片机的低压脉冲发生器研制

第２９卷第３期电力自动化设备Ｖ０１．２９Ｎｏ．３

２００９年３月ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｆ?ｎｔＭａｒ．２００９

基于单片机的低压脉冲发生器研制

许珉，郑文棋

（郑州大学电气工程学院，河南郑州４５０００１）

摘要：阐述了一种基于单片机控制的，用于电力电缆短路和断线故障测距的低压脉冲发生器。利用单片机的Ｉ／Ｏ口产生一定宽度和频率的脉冲，用此脉冲控制触发电路，产生相应宽度和频率的触发脉冲，此触发脉冲又触发具有快速开断性能的ＭＯＳＦＥＴ产生相应的脉冲，通过脉冲变压器耦合输出到测试电缆上。所实现的低压脉冲发生器的脉冲宽度和周期可通过编程调节。该低压脉冲发生器的最窄脉冲宽度较小，可达到０．１４肛ｓ；频率采用常用的１００Ｈｚ，也可灵活调整；电压幅值可达３００Ｖ以上，可根据不同情况调整电压幅值，以便检测不同长度的电缆；阻抗可调节，以匹配不同性能的电缆。

关键词：脉冲发生器；电缆故障测距；单片机；可编程；低压脉冲法

中图分类号：ＴＭ９３３文献标识码：Ｂ文章编号：１００６—６０４７（２００９）０３—０１１９一０３０引言

准确快速地确定电力电缆故障点，能够提高供

电可靠性，减少因停电而带来的损失［１≈］。近年也有

研究提出了新的故障定位方法［３］。低压脉冲法是目唑时串：千－ｌＭＯＳＦＥＴｌ●调压装置Ｈ脉冲变压器｝

‘

前广泛采用的一种电力电缆低阻、短路和断路故障ｌ控制脉冲输出Ｉｉ阻抗匹配网络测距法，其基本原理是在电缆始端施加一个发射脉＾

控制电路

冲，该脉冲传播到故障点会发生反射，反射脉冲往回ＭＯＳＦＥＴｌ｛触发电路广■脉电路ｌ脉志豚开牺出

传播，检测发射脉冲和反射脉冲之间的时间间隔即

可判断故障点距测试端的距离【１］。图１总体构造图

目前已有多种产生脉冲的方法［４。］，主要是基于Ｆｉｇ．１Ｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

晶体振荡器和分频器来控制电路或者利用ＬＣ振荡ｂ．按键输入，作为人机交互界面，根据按键的电路和延时线产生脉冲。其缺点是产生较窄宽度输入信息可以调节脉冲宽度和频率；

的、形状较好的脉冲比较难，有些方法产生的脉冲还ｃＬＥＤ显示，当前脉冲参数信息通过ＬＥＤ指有拖尾和反冲。实际测试时会和反射脉冲重叠影响示输出；

故障探测。也有的脉冲发生器的控制脉冲由时钟产ｄ．控制脉冲输出，编写程序使单片机的某一生芯片产生，其缺点是脉冲宽度和频率不易调节。Ｉ／Ｏ执行清零、置一、清零操作，产生方波脉冲输出；本文介绍的低压脉冲发生器基于单片机和电力电子ｅ．Ｍ（）ＳＦＥＴ触发电路，由单片机产生的方波控技术，可以方便地控制脉冲的宽度和频率，并且通过制信号较微弱且控制同路不能混入高压信号，所以脉冲变压器耦合，再加上阻抗匹配网络、调压装置该触发电路起到了信号放大和隔离作用。

等，可以解决上述问题。脉冲发生电路工作于几百伏的电压等级，由以

下部分组成：

Ｉ设计思想与原理ａ．Ｍ（）ＳＦＥＴ，它的显著特点是驱动电路简单、

文献Ｅｓ］提出了利用ＭＯＳ管的高速开关特性所需驱动功率小，并且开关速度快、工作频率高，能产生窄脉冲的方法，但是控制方法不够灵活。本文够很好地对触发信号作出反应［９］，用ＭＯＳＦＥＴ的通的主要思想是用单片机的Ｉ／Ｏ口和脉冲变压器的灵断来控制脉冲变压器的通断；

活性来产生和控制脉冲。主要分控制电路和脉冲产ｂ．脉冲变压器，在ＭＯＳＦＥＴ的控制下导通，又生电路２部分，整体构造如图１所示。在很短的时间宽度内随着ＭＯＳＦＥＴ的关断而截

控制电路主要是５Ｖ的低压电子电路系统，由止，以此产生一个脉冲，并耦合到次边输出；?以下部分组成：ｃ调压装置，调节变压器线圈的接人匝数可以

扎单片机，产生５Ｖ的窄脉冲，并对整个装置调节输出脉冲的电压幅值；

进行控制；ｄ．阻抗匹配网络，阻抗匹配主要是由脉冲变压

器完成，该环节起到了微调作用以适应不同场合。

收稿日期：２００８—０４—０７；修回日期：２００８—０８—１９低压脉冲发生器的主要部分原理图如图２所示。万　方数据１１９

电力自动化设备

第２９卷

触发电路产生的触发脉冲阱的波形如图４所

脉冲变压器阻抗匹配网络

示。该波形是采用泰克ＴＤＳ３０３２Ｂ示波器采集，在虚拟仪器上再现的波形。可以看出，这种方法实现的触发脉冲上升和下降都很快，并有一个反冲电压，可以很好地满足要求。

堕Ｉ／Ｏ片Ｉ／０机Ｉ／Ｏ

键盘输入１．．．．．．．．．．．．．．．．．＿ＪＬＥＤ指示

图２脉冲发生器核心部分原理图

Ｆｉｇ．２

Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ

ｄｉａｇｒａｍｏｆｐｕｌｓｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ

图４

Ｆｉｇ．４

ＭＯＳＦＥＴ触发脉冲波形

Ｔｒｉｇｇｅｒｐｕｌｓｅｏｆ

１．１单片机控制的优势及选型

利用单片机的Ｉ／Ｏ口可以很方便地产生脉冲，脉冲宽度和频率可以随意调整，脉冲形状好。此处用到的单片机要有足够的Ｉ／Ｏ口用于接收命令、发送当前状态指示和产生触发信号；有较快的Ｉ／０操作速度，以产生较窄的脉冲；有较强的Ｉ／Ｏ驱动能力，否则脉冲信号容易畸变。要实现０．１肚ｓ级别的脉冲，要求单片机的Ｉ／０操作速度为１０ＭＨｚ。目前，５１系列单片机的时钟能达到４０ＭＨｚ，但是内部经过１２分频（１２时钟周期），Ｉ／Ｏ的操作周期为一个系统周期（单指令周期），实际Ｉ／０的操作速度还不到４ＭＨｚ。因此，应选择时钟周期和指令周期短的精简指令集（ＲＩＳＣ）的单片机。具体选型可参考文献１－１０］。１．２ＭＯＳＦＥＴ触发电路ＭＯＳＦＥＴ是电压控制型电力电子元件，在栅极和漏极之间施加一定的电压能使源极和漏极导通，该电压低于一定值则关断。ＭＯＳＦＥＴ是目前导通和关断速度最快的电力电子元件，利用其快速通断性可以实现窄脉冲的产生。但是，其栅极存在吸收电容，开通时要吸收电荷，关断时放电，所以要求触发脉冲有一定的驱动能力并在关断时能吸收电荷。理想的ＭＯＳＦＥＴ触发脉冲应该是陡升陡降的，并且在降到零以后有个负电压以吸收电荷一一。

参考文献［１１］的有关电路，本文采用如图３所示的触发电路，这里也用到了一个Ｍ（）ＳＦＥＴ和一个脉冲变压器，它们工作在５Ｖ电压级别。单片机的Ｉ／０口产生５Ｖ的脉冲，触发Ｍ（）ＳＦＥＴ，它的通断控制脉冲变压器的通断而产生一个脉冲，该脉冲作为主Ｍ（）ＳＦＥＴ的触发脉冲。其工作过程类似于主电路中的脉冲发生回路。

ＭＯＳＦＥＴ

１．３脉冲变压器

在低压脉冲法电缆故障测距中，习惯用负脉冲作为测试信号，测试电路和电缆要隔离并且要求阻抗匹配才能得到较好的测试效果，电路的主要部分工作在脉冲方式。脉冲变压器可以方便地用来变换脉冲电压或电流，改变脉冲极性、阻抗，并实现电气隔离ｕ２｜。因此采用脉冲变压器是很好的方法。１．３．１等效电路

脉冲变压器的等效电路如图５所示。图中，ｔ

为励磁电感；Ｌ刍、Ｌ受为线圈漏感；Ｒ｛、Ｒｚ为线圈电阻；Ｒ；为磁芯磁滞作用和涡流作用的等效电阻；ｃ，、Ｃｚ、Ｃ，ｚ分别表示初级线圈电容、次级线圈电容和线圈间电容。

图５脉冲变压器等效电路

Ｆｉｇ．５

Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ

ｏｆｐｕｌｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ

１．３．２磁芯选择

不同工作状态的脉冲变压器需要考虑的参数也不同。此处脉冲变压器工作在很短的脉冲，瞬时频率约为１０ＭＨｚ，要求脉冲前沿上升和后沿下降快，平顶过冲和降落小。因此，漏感和分布电容起着决定性作用，损耗可以不用考虑。本文中磁芯采用耦合系数较高的铁氧体磁环，磁环尺寸选择如下：

ｓ．．ｑ．：。１。２

￡！丕！Ｑ！

２刁Ｂ。．厂占ＫＭＫｃ

其中，Ｓ，为磁芯截面积；Ｓｚ为磁芯窗口面积；ＰＴ

为变压器标称功率，按脉冲幅度３００Ｖ，等效负载１００Ｑ计算，ＰＴ为９００Ｗ；呀为变压器效率，取０．９；Ｂ。为最大磁感应密度；艿为绕组中电流密度；ｆ为ｔ作频率，取瞬时频率１０ＭＨｚ；ＫＭ为窗口铜填充系数；Ｋｃ为磁芯填充系数。对于铁氧体磁环，Ｋｃ＝１，Ｂ。＝ｏ．１５Ｔ，ＫＭ＝０．２。据此可计算出磁环尺寸。１．３．３线圈选择

初级线圈匝数计算：

图３Ｆｉｇ．３

ＭＯＳＦＥＴ触发电路

ｏｆＭＯＳＦＥＴ

Ｔｒｉｇｇｅｒｃｉｒｃｕｉｔ

万方数据　

１２０

第３期

许珉．等：基于单片机的低压脉冲发牛器研制

“１—

＾ｒ一％，×０．５×１０３

４

Ｂ。厂ＳＰ

其中，Ｕｆ一为最高瞬时电压；Ｂ。、ｆ同上；ＳＰ为磁芯面积乘积，ＳＰ—Ｓ１×Ｓ２。

次级线圈：

Ｎ２一ｎＮｌ

其中，力为变压器变比。

计算步骤详见文献［１２—１３］，这里不再赘述。１．４阻抗匹配网络和调压装置

阻抗匹配得好才能使脉冲发生器带负载能力强，接上电缆后发射脉冲幅值不至于衰减太大。接收反射波的时候，故障点相当于激励源而发生器本身相当于负载，此时阻抗匹配性能也影响到反射波的幅值和形状。阻抗匹配最主要是在脉冲变压器的设计中进行，但是在输出电路加上阻抗匹配调节网络，可以在一定范围内调节阻抗值和输出脉冲的幅值，以适应不同的测试条件。文中采用的是电阻网络匹配形式。

当故障点离电缆出口较远时，脉冲经过路径较长，衰减较大，采集的信号微弱，增大脉冲电压幅值可以解决这个问题。调压装置可以设置不同的电压幅值，以适应不同长度的电缆。

础上进行的。笔者研制的低压脉冲发生器产生的波形能很好地进行以上各种方法的后续处理。

把单片机的高速和可编程性、电力电子元件的快速通断性和脉冲变压器对脉冲波形的良好变换性能相结合，组成了一个数字电路控制模拟电路的混合系统。该低压脉冲发生器用于实际测试中性能良好、控制方便。按键输入变换脉冲宽度，发光管指示当前状态，有较好的人机交互界面。设计思想有一定参考价值。

该脉冲发生器产生的脉冲，最窄宽度可以达到０．１４肚ｓ，频率采用常用的１００Ｈｚ即每秒发１００次脉冲，也可灵活调整；电压幅值可达３００Ｖ以上，可根据不同情况调整电压幅值；阻抗可调节。经实际测试效果良好。基于单片机来研制脉冲发生器，在提高波形质量的同时也提高了装置的智能化和易操作性。随着单片机技术和电力电子技术进步，基于此设计方法实现的脉冲发生器性能将更加优良。参考文献：

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ＺＨＵＹｕｎｈｕａ。＾Ｊ

２实际测试

研究制作完成后进行了实际测试，用泰克ＴＤＳ３０３２Ｂ示波器观察和采集波形，波形在虚拟仪器上再现。当电缆为断路故障时，反射脉冲和发射脉冲同极性，测试波形如图６所示。此时脉冲宽度置于０．１４弘ｓ档，脉冲较尖，发射脉冲波形幅值较大，波形良好。

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图６实际测试断路故障波形

Ｆｉｇ．６

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Ｔｅｓｔｅｄｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｏｐｅｎ—ｃｉｒｃｕｉｔｆａｕｌｔ

Ｙｕａｎｊｉ，ＺＨＡＮＧＹａｚｈｏｕ．ＬＩＣｈｕａｎｌｕ．Ｔｈｅ

Ｉｌｉｇｈ

短路故障时，反射脉冲和发射脉冲反极性，短路故障波形则如图７所示。此时脉冲宽度置于０．５“ｓ档，发射脉冲基本为方波。

ｐｕｌｓｅｆｏｒｍｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ［Ｊ］．ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。２０００，２６Ｃ４）：１３—１５．［７］Ｐ（ＩｒＷＥＪＫＵＩ。Ｓ．ＫＥＲＤＯＮＦＡＧＰ．ＪＡＭＮＩＡＮＳ，ｅｔａ１．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｈｖｏｌｔａｇｅｃａｂｌｅｆａｕｌｔｄｅｔｅｃｔｏｒ［ｃ］∥ＩＥ＇ＥＥＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｏｃｉｅｔｙＷｉｎｔｅｒ

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ＭＯｓＦＥＴ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ

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图７实际测试短路故障波形

Ｆｉｇ．７

社．２００４．

Ｔｅｓｔｅｄｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔｆａｕｌｔ

３总结

有研究提出了小波变换在行波检测式电缆测距中的应用［１４３和电力电缆故障低压脉冲自动测距方法‘１５］。这些方法都是基于测距仪器的良好波形的基

［１１］王云亮．电力电子技术［Ｍ］．北京：电子Ｔ业出版社，２００６．［１２］王瑞华．脉冲变压器设计［Ｍ］．２版．北京：科学ｍ版社．１９９６．

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（下转第１４２页ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ

ｏｎ

ｐａｇｅ

１４２）

万方数据　

１２１

电力自动化设备第２９卷

ｔｉｖｅＸＤｏｃｕｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｒａｄｉｏ

ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＣｈｉｎａ．２００７，３７（１２）：６２—６４．

ＸＩＥＰｕ．ＳＵＱｕｎｍａｇ．ＧＵＯＩ．ｉＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＡＤＯｉｎｏｐｅｒａｔｉｎｇｄａｔａｂａｓｅａｎｄＤｅｓｉｓｎ?２００３?２４（３）１４９

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ｄａｔａ

［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｈｅｅｒｉｎｇ

８ＣＣｅＳ￥删ＯＬＥ

（责任编辑：汪仪珍）

ＤＢ［Ｊ］．ＰＣＷｏｒｌｄ，１９９９

作者简介：

李鹏（１９７７一）．男．贵州责ｉ‘ａｈ．。助理工程师．从事在线监测、变电站综合自动化后台监控系统及维护支持软件开发（Ｅ－ｗａｉｌ：ｌｉｐｅｎｇ＠ｓａｃ—ｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ）。

［１０］ＳＣＥＰＰＡ１３．ＡＤＯ编程技术［Ｍ］．肖炎。石均．葛俊．洋．北京：清华大学出

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［１１］解璞，苏群星．郭利．利用ＡＤＯ技术实现对散据库的操纵口］．计算机工

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ＳｅａｍｌｅｓｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆＥｘｃｅｌｆｏｒｕｎｉｖｅｒｓａｌｒｅｐｏｒｔｆｏｒｍ

ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎＡｃｔｉｖｅＸｄｏｃｕｍｅｎｔ

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（ＧｕｏｄｉａｎＮａｎｊｉｎｇＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００３。Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｕｎｉｖｅｒｓａｌｒｅｐｏｒｔｆｏｒｍ

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（责任编辑：柏英武）

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２００５．２９（２）：６８—７２．

作者简介：

许珉（１９５６一）．男．河南开封人，教授，从事电气设备故障诊断及数字信号处理等方面的研究（Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｕｍｉｎ＠ＺＺＵ．ｅｄｕ．ｃｎ）；

郑文棋（１９８３一）．男。浙江台州人．硕士研究生．研究方向为电力系统故障检测（Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｗｑ０９２５＠１６３．ｅｏｍ）。

Ｄｓ］许珉．内春涛，秦毅男，等．电力电缆故障低压脉冲自动测距方法［Ｊ］．继

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万方数据　

１４２

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基于单片机的低压脉冲发生器研制

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被引用次数：许珉， 郑文棋， XU Min， ZHENG Wenqi郑州大学,电气工程学院,河南,郑州,450001电力自动化设备ELECTRIC POWER AUTOMATION EQUIPMENT2009,29(3)6次

参考文献(15条)

1.徐丙垠;李胜祥;陈宗军 电力电缆故障探测技术 1999

2.朱云华;艾芋;陆锋 电力电缆故障测距综述[期刊论文]-继电器 2006(14)

3.邢海瀛;陈柏超;张亚迪 基于倒置电桥法的电力电缆故障定位[期刊论文]-电力自动化设备 2008(03)

4.陈炯;李喆;尹毅 脉宽和幅值可调的新型超窄脉冲发生器的研制[期刊论文]-高电压技术 2005(05)

5.吕亮;方亮;刘蕾 小型纳秒级电压脉冲发生器的研制[期刊论文]-高电压技术 2003(03)

6.贺元吉;张亚洲;李传胪 一种高压ns级脉冲形成电路[期刊论文]-高电压技术 2000(04)

7.POTIVEJKUL S;KERDONFAG P;JAMNIAN S Design of a low voltage cable fault detector 2000

8.李龙;郑继禹;林基明 利用MOSFET产生纳秒级窄脉冲[期刊论文]-桂林电子工业学院学报 2003(02)

9.王兆安;黄俊 电力电子技术 2005

10.余永权 世界流行单片机技术手册 2004

11.王云亮 电力电子技术 2006

12.王瑞华 脉冲变压器设计 1996

13.杨哲;鞠晓东 小型脉冲变压器设计[期刊论文]-变压器 2006(12)

14.许珉;王星海;王钰 基于虚拟仪器的电力电缆故障测距仪的研究[期刊论文]-电网技术 2005(02)

15.许珉;白春涛;秦毅男 电力电缆故障低压脉冲自动测距方法[期刊论文]-继电器 2007(07)

本文读者也读过(6条)

1. 杨晓玲.朱群雄.Yang XiaoLing.Zhu Qunxiong 基于单片机和模糊控制的电熔焊机设计及应用[期刊论文]-仪器仪表学报2008,29(7)

2. 江亚群.何怡刚.黄纯.潘华.JIANG Yaqun.HE Yigang.HUANG Chun.PAN Hua 双单片机实现的双原理自动准同期并列装置[期刊论文]-电力自动化设备2009,29(4)

3. 戴光武.都洪基.贾磊.章柯.DAI Guang-wu.DU Hong-ji.JIA Lei.ZHANG Ke 基于P89LPC952单片机的电动机保护装置研究[期刊论文]-电力系统保护与控制2009,37(2)

4. 李升源.何鹏举.吴志荣.LI Shengyuan.HE Pengju.WU Zhirong 简易单片机功率方向元件[期刊论文]-电力自动化设备2008,28(5)

5. 张桂香.姚存治.ZHANG Guixiang.YAO Cunzhi 基于ATmega128单片机的智能供电测控系统设计[期刊论文]-电力自动化设备2009,29(8)

6. 陈享成.耿长青.CHEN Xiang-cheng.GENG Chang-qing 基于单片机的LCD显示终端设计[期刊论文]-电力自动化设备2007,27(9)

引证文献(6条)

1.韩薇薇 基于单片机的低压脉冲发生器设计[期刊论文]-硅谷 2013(21)

2.曹国芳 试析51单片机的实际应用[期刊论文]-中国电子商务 2013(18)